CPR1000機組全廠斷電事故后備模式研究

李 龍,吳震華,許俊俊

(蘇州熱工研究院有限公司 核安全與運行技術中心,廣東 深圳 518000)

中國廣核集團CPR1000機組使用的狀態導向法事故規程(SOP)源于法國M310機組。目前,SOP事故規程中全廠斷電事故后備模式為一回路冷端溫度190℃,一回路壓力高于45 bar的蒸汽發生器冷卻的中間停堆狀態[1]。

該后備模式的選取主要考慮ASG汽動泵和LLS汽輪發電機組的可用性以及防止中壓安注罐硼酸和N2注入一回路。CPR1000機組對ASG汽動泵和LLS汽輪發電機組進行了換型,其中ASG汽動泵更換廠家并由一臺增加到兩臺,LLS汽輪發電機組變更為柴油發電機組,不再需要使用蒸汽驅動。這些設備的換型改造之后,其運行參數和驅動方式都發生了變化,但全廠斷電事故使用的后備模式仍沿用法國M310機組的后備模式。因此,有必要對該后備模式進行論證分析。

目前,核電廠全廠斷電事故的研究主要集中在事故進程分析[2]及事故緩解措施的研究[3-6]上,缺少工程改造對事故處理策略影響方面的研究。

本文通過ASG汽動泵和LLS汽輪發電機組改造作為切入點,對與之相關的全廠斷電事故后果及處理策略進行分析,制定事故后備模式確定原則,提出CPR1000機組全廠斷電事故后備模式優化方案。該分析方法可為核電廠工程改造對事故處理策略的影響研究提供一定的參考。

1 全廠斷電事故后備模式方法研究

全廠斷電是由于同時失去廠內外電源造成的,最可能的情況是外電網發生共模故障,此后切換至廠用電運行失敗或兩臺柴油發電機組啟動失敗。[1]

全廠斷電后,主泵失電停運導致緊急停堆,反應堆冷卻劑以自然循環方式運行;堆芯余熱傳遞給蒸汽發生器,并通過蒸汽排大氣系統(GCTa)導出;蒸汽發生器由ASG汽動泵供水;水壓試驗泵(由LLS供電)從換料水箱取水向主泵供應軸封水。[7]

SOP事故規程要求將機組后撤至一回路冷端溫度190℃,一回路壓力高于45 bar的蒸汽發生器冷卻的中間停堆狀態。

對于反應堆冷卻劑冷端溫度高于190℃的初始工況,通過GCTa控制一回路冷卻劑的降溫速率在28℃/h,一回路完整性由應急軸封水注入來保證,一回路冷卻劑降溫收縮產生的空間通過軸封水注入補償。由于穩壓器存在熱損失,其壓力自然下降,反應堆冷卻劑壓力降至45 bar附近時,1號軸封泄漏是有限的,通過調節水壓試驗泵流量可使穩壓器水位保持恒定。

要將機組過渡并穩定在后備模式,需要確保ASG汽動泵、LLS、水壓試驗泵、GCTa的可用性。

另外,為了防止中壓安注罐硼酸及N2注入一回路,一回路壓力必須高于中壓安注罐壓力。

一回路參數應盡可能接近余熱排出系統(RRA)的運行參數范圍,確保電源恢復時,可隨時連接RRA。

全廠斷電疊加ASG汽動泵喪失事故,由于冷源完全喪失,一回路冷卻劑溫度越低,達到泡核沸騰時間越久。所以,一回路溫度應盡可能低。

2 CPR1000機組全廠斷電事故后備模式優化

通過對全廠斷電事故后備模式確立原則逐項分析,對比M310機組和CPR1000機組的差異,提出CPR1000機組全廠斷電后備模式優化方案。

(1)ASG汽動泵的可用性

ASG汽動泵由蒸汽發生器產生的蒸汽驅動,給蒸汽發生器供水。要驅動ASG汽動泵汽輪機工作,蒸汽發生器的飽和壓力不能低于其工作最低壓力。自然循環狀態下,一回路冷端溫度基本與蒸汽發生器壓力對應的飽和溫度相同,故要保證ASG汽動泵正常工作,一回路冷端溫度不能低于ASG汽動泵工作最低壓力對應的飽和溫度。

根據表1,汽動泵最低工作壓力由6.6 bar降至5.3 bar,對應飽和溫度由168℃降至161℃。在確定全廠斷電后備模式參數時,保證ASG汽動泵可用性要求的一回路冷端溫度限值可以由168℃下調至161℃。

(2)LLS的可用性

LLS系統給水壓試驗泵提供380 V應急電源,從而在全廠斷電情況下,保證水壓試驗泵向主泵提供應急軸封水,確保反應堆冷卻劑系統完整性。

LLS系統還向LLS應急風機供電,并給兩臺機組的LNE360CR配電盤提供220 V應急電源,向應急設備和機組運行所需的儀表供電。

M310機組的LLS為汽輪發電機組,驅動蒸汽來自于蒸汽發生器,蒸汽壓力應高于LLS汽輪機最低工作壓力,對應的一回路冷端溫度不能低于LLS汽輪機最低工作壓力對應的飽和溫度。根據表1,LLS汽輪機最低工作壓力為6.6 bar,對應的飽和溫度為168℃。但同時,當一回路冷卻劑冷端溫度低于190℃時,LLS汽輪發電機組將由于功率不足導致啟動失敗(功率不足以供應水壓試驗泵、應急通風及LNE360CR配電盤)。所以,在確立全廠斷電后備模式參數時,保證LLS汽輪發電機組可用性要求的一回路冷端溫度限值不得低于190℃。

CPR1000機組,LLS改造為柴油發電機組,不再需要蒸汽驅動。因此,LLS系統的可用性與一回路狀態無關。

(3)一回路壓力高于中壓安注罐壓力

中壓安注系統主要由三個安注箱組成,分別與反應堆冷卻劑系統三個環路的冷管段相連,安注箱內存放(2400±100)×10-6的硼水,用壓力約42 bar的N2覆蓋。當RCP壓力降到安注箱壓力以下時,由N2將硼水注入一回路,淹沒堆芯。

根據表1,運行技術規范的要求:中壓安注罐壓力維持在在41.75～44.3 bar之間。所以,要防止中壓安注罐硼水及N2進入一回路,在確定全廠斷電后備模式參數時,一回路壓力需要高于技術規范規定的中壓安注罐運行壓力上限值44.3 bar。

(4)一回路參數盡可能接近RRA運行參數范圍

根據表1,RRA連接的一回路溫度范圍為160～180℃,一回路壓力范圍為23～29 bar。

其中180℃是RRA設計的最高運行溫度,29 bar是RRA泵設計的最高運行入口壓力。一回路壓力高于23 bar是為了保證主泵一號軸封壓差高于19 bar,使一號軸封動靜環分離。160℃對應反應堆壓力容器壽期末壓力為161 bar的脆性轉變溫度(NDTT)。一回路溫度低于160℃時,若發生一回路壓力異常升高的事件,可能發生脆性破裂。

選擇后備模式時,一回路參數盡量接近RRA運行參數范圍,這樣可以確保電源恢復時,隨時連接RRA。

表1 M310和CPR1000機組設備運行參數Table 1 Operating parameters of M310 and CPR1000

(5)一回路溫度應盡量低

一回路冷卻劑溫度越高,對應的焓值越高。全廠斷電后,如果喪失ASG汽動泵,蒸汽發生器中的余水蒸干后,機組將完全喪失冷源,一回路冷卻劑溫度將在堆芯加熱下逐漸升高,最終達到泡核沸騰。而一回路冷卻劑溫度越低,出現這種工況,達到泡核沸騰時間就會越久,對機組恢復電源則越有利。

綜合考慮原則(1)～(4)后,得到后備模式為:一回路冷端溫度高于161℃,一回路壓力高于44.3 bar。再加上原則(5),后備模式一回路冷端溫度確定為161℃。

因此,CPR1000機組全廠斷電時,后備模式為一回路冷端溫度161℃,一回路壓力高于45 bar,與M310機組相比,溫度值從190℃下調到161℃。

3 后備模式參數優化后的安全分析

下調后備模式溫度參數后,兩者的區別在于發生全廠斷電疊加ASG汽動泵喪失事故時,一回路冷卻劑達到泡核沸騰的時間長短不同。如果將后備模式溫度下調到161℃,與190℃的后備模式溫度相比,將會為應急組織多爭取一段時間,這段時間就是一回路冷卻劑溫度從161℃升高到190℃的時間。

基于TOUTEC Vaporisation and dryingout times程序,分別計算機組后撤到190℃和161℃到SG完全蒸干的時間。

蒸汽發生器內的水達到飽和狀態的能量守恒方程式為:

式中:t0——停堆后的時間,min;

tebul——蒸汽發生器內的水達到飽和狀態的時間,min;

Pres(t)——熱功率,MW;

M0——蒸汽發生器內的初始水裝量,t;

P——蒸汽發生器內的壓力,bar;

T0——蒸汽發生器內的初始水溫,℃;

Qapp——蒸汽發生器的給水流量,t/h;

Tapp——蒸汽發生器的給水溫度,℃;

hliq——液態水的比焓,J/kg;

a1——蒸汽發生器給水吸收的能量,J/h;

b1——蒸汽發生器內的水達到飽和狀態吸收的能量,J。

蒸汽發生器內的水蒸干的能量守恒方程式為:

式中:tass——蒸汽發生器的水蒸干的時間,min;

hvap——水蒸汽的比焓,J/kg;

a2——蒸汽發生器給水吸收的能量,J/h;

b2——蒸汽發生器內的水蒸干吸收的能量,J。

使用保守假設,機組初始工況為滿功率運行,全廠斷電后,一回路冷卻劑在自然循環狀態,操縱員執行SOP事故規程,以28℃/h的速率冷卻一回路,直至達到后備模式要求的溫度190℃或161℃,達到穩定狀態后,ASG汽動泵隨即喪失,蒸汽發生器失去全部給水。

ASG汽動泵喪失前,蒸汽發生器水位穩定在零功率水位,對應的水裝量為66.6 t(見圖1),ASG汽動泵喪失后,蒸汽發生器中的水裝量逐漸減少直至蒸干。

圖1 SG水裝量-功率對應圖Fig.1 The SG water inventory as the function of the load

根據表2參數,分別計算后備模式溫度參數190℃和161℃時的蒸汽發生器蒸干時間。

表2 參數設置Table 2 Parameter setting

最終得到計算結果如表3所示。

表3 計算結果Table 3 Calculation results

兩者對比,蒸汽發生器完全蒸干相差的時間為39.02 min。

按保守的假設計算,將后備模式溫度參數從190℃下調到161℃后,計算得到的時間差約40 min,實際時間可能更長。所以下調全廠斷電事故后備模式溫度參數,將為應急組織爭取到更多時間以恢復電源,有利于機組全廠斷電事故處理。

4 結論

通過對CPR1000機組全廠斷電后備模式優化分析以及相關的計算,可以得到如下結論:

(1)CPR1000機組在ASG汽動泵和LLS汽輪發電機組換型改造后,原M310機組的全廠斷電后備模式仍然適用,能夠通過可用的控制手段將機組過渡并穩定在后備模式,但后備模式參數存在優化空間。

(2)后備模式參數優化后,將全廠斷電后備模式溫度參數從190℃下調到161℃,對于疊加ASG汽動泵喪失的情況,將為應急組織恢復電源多爭取到至少40 min的時間,有利于提升機組安全水平。